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    超辐射发光二极管及其应用

    发布日期:2016-05-19 点击次数:4572

    超辐射发光二极管及其应用

    张晶  长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室

    )超辐射发光二极管介绍

    超辐射发光二极管(Superluminescent Diode, SLD)是近些年发展起来的一种半导体发光器件。超辐射光是由自发发射光子在增益介质中传播经历了受激放大过程而得到的。我们把放大了的自发发射称为超辐射,也就是ASE(Amplified Spontaneous Emission),这是一种强激发状态下定向的辐射现象,当激发密度足够高时,自发发射的光子受激放大而雪崩式倍增,发光强度随激发强度超线性地急剧增加,谱线宽度变窄,其主要特征是由初始的自发发射很快地演变为受激发射。理想的超辐射器件是一种相位不一致的非相干光源。它具有半导体激光器(Laser Diode, LD) 功率大、耦合效率高、响应速度快的优点,同时具有普通发光二极管(Light-Emitting Diode, LED)的低噪音、频谱宽的优异性能。与半导体激光器相比,超辐射发光二极管有更宽的发光光谱,也即更短的相干长度,可以显著地降低由光纤瑞利散射和非线性光克尔效应等引起的噪声以及光纤传输的模式噪声;与一般的发光二极管相比,超辐射发光管的输出功率更高,发散角更小,耦合效率更高以及响应速度更快。性能介于LDLED之间的超辐射发光管能够同时满足光功率较大、相干长度又较小的要求。图1和图2LDLEDSLD 等三种半导体发光器件的光功率和光谱特性的对比情况。从光谱半高宽 (full-width-at-half-maximumFWHM)来看,LED的光谱最宽,SLD次之,LD的光谱最窄。图3是LD的输出功率和电流之间的典型特征曲线图,它可以形象的说明LDSLDLED三者之间的关系,其中OA阶段为LED特性发光,BC阶段为LD特性发光,而AB阶段则为SLD特性发光。   

     

    1 P-I特性曲线             2光谱特性图      图3  LD的典型P-I特性曲线

    (二)SLD的应用

    超辐射发光管的性能介于半导体激光器和发光二极管之间,可提供完全适应与光纤陀螺所需要的较高的输出功率、短相干长度和低的光束发散角,所以它是光纤陀螺最理想的光源。光纤陀螺具有尺寸小、重量轻、功耗低、抗震动、抗电磁干扰、噪声低等优点,使其在航海、航空、宇航、机器人和一切自控定向装置中有着广阔的应用。然而,光纤陀螺的发展受到了光纤中产生的噪声的防碍。当采用半导体激光器作为光源时,由于激光的相干性,会使瑞利散射光与信号光产生干涉,引起输出的所谓瑞利噪声,为减少这种噪声,一般可采用短相干或非相干光。

    由于光纤陀螺本身在测量旋转和加速度变量方面的优越性,采用光纤陀螺构成的陀螺组件既可以测量导弹运动过程中的俯仰角、偏航角和横滚角,引导导弹飞向目标,也可以测量飞行器的方位角速度和俯仰角速度,提供制导武器所需的初始资料。因此,光纤陀螺在制导武器、陆战武器平台海军装备以及与制导武器有密切关系的机载惯性导航系统或舰载导航系统中获得了广泛的应用光纤陀螺以其牢固稳定、耐冲击、启动时间短、检测灵敏度高、寿命长、信号稳定等优点,在未来信息战环境中有着特殊地位,它在水下是唯一有效的导航手段,已普遍被各国海军认识和接受,作为新一代潜艇和鱼雷导航系统。国外资料公开的光纤陀螺空间应用情况如表1所示。

    1 国外资料公开的光纤陀螺空间应用情况

    序号

    型号名称

    光纤陀螺型号

    生产厂家或公司

    1

    伽利略导航卫星、Planck卫星

    Astrix120

    法国IXSPACE公司

    2

    PleiadesAeolus地球观测卫星

    Astrix120

    法国IXSPACE公司

    3

    ASTRIUM通讯卫星

    Astrix120HR

    法国IXSPACE公司

    4

    通讯卫星COMS

    Astrix120HR

    法国IXSPACE公司

    5

    哈勃望远镜、XTE科学实验卫星、GPS III卫星

    高精度光纤

    陀螺

    美国Honeywell

    公司

    6

    CoriolisMuses-C等卫星、机遇号和勇气号火星探测器、Clementine卫星、返回式飞行器、陆基拦截器

    LN200

    美国诺斯罗普.格鲁门公司

    虽然我国光纤陀螺的研制和应用起步较晚,但近年来已取得长足进步,在我军的武器装备中已经得到一定程度的应用。我国海军测试了新型反舰巡航导弹鹰击62导弹,该型导弹大胆地运用了光纤陀螺,在定型测试时,取得了三发三中的优秀成绩,这标志着我国的光纤陀螺技术已发展到了实用化程度。除上述作为高精度光纤陀螺的光源外,超辐射发光管还在光时域反射仪(OTDR)、局域网(LAN)、波分复用光纤通讯以及光处理技术等许多领域中都显示出了优势和广阔的应用前景。

    (三)SLD的研制

    近年来,SLD成为国外科研人员的研究热点,在短波长方面,日本Anna Kafar研究小组已经研制出InGaN基蓝紫色SLD,当波导长为1mm时最大出射功率达到200mW[1];在长波长方面,日本Nobuhiko Ozaki研究小组采用InAs基自组织量子点结构制作的近红外SLD,当出射光峰值波长为1280nm时,FWHM达到170nm[2];在器件工艺方面,Romain Beal研究小组采用红外激光高温退火方法使器件的FWHM增加33%[3];在光斑质量方面,韩国Su Hwan Oh研究小组采用深掩埋波导配合模式转换器结构得到近圆形光斑输出[4];在器件工作寿命方面,俄罗斯Andreeva, E.V.研究小组采用的多量子阱结构SLD最大工作寿命超过30000小时[5];美国Su Hwan Oh研究小组公布的最新发明专利,将新结构半导体光放大器(semiconductor optical amplifier,SOA)和SLD制作成可应用于光局域网的集成模块[6]

    作为光纤陀螺的光源,SLD的典型波长分别被850nm、1310 nm、1550 nm三种,850nm SLD一般作为低精度光纤陀螺的光源,1310 nm、1550 nm SLD用作中精度和高精度光纤陀螺的光源。国内自从80年代后期就开始超辐射发光管的研制工作,主要研制单位包括电子44所、吉林大学、中科院北京半导体所中科院长春光学精密机械与物理研究所和长春理工大学等单位。中科院等几个研究小组在利用量子点作为发光材料来制备1310nm SLD[7-8];目前长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室正在从事1550 nm SLD的开发研制工作。这里阐述我实验室研制的850nm SLD器件的设计制作。

    (ⅰ)外延片结构设计,

    为了实现850nm高功率超辐射发光管,并且得到比较大的半峰宽、较大的单程增益,我们设计了非均匀阱宽三量子阱结构,阱宽分别为13nm、11nm和8nm。

    (ⅱ)SLD器件的结构设计、制作工艺

    为了有效地限制在腔长方向上的激射振荡,我们采用斜波导(倾斜角度5.)、半注入半吸收区、两侧腔面上镀制增透膜结构。通过采用二次光刻的方法制作吸收区为300μm,泵浦区为700μm,条宽为5μm,腐蚀深度为1.2μm的脊形波导器件,P面溅射TI/Pt/Au,N面减薄后溅射AuGe/Ni/Au,并在430℃ 时H2保护下进行合金。最后利用Denton Vacuum公司的Infinity电子束镀膜设备实施两端蒸镀抗反射涂层,透过率为99.8%,利用解理划片机解理成腔长1000μm的单个管芯,倒装在AlN热沉上,最后通过综合测试仪进行测试。

    (ⅲ)器件测试结果

    我们用功率计和光谱仪对研制的850nm SLD进行了参数测试,器件中心波长为848.5nm,在激励电源为120mA时半峰宽可以达到26nm,室温下连续输出功率为7mW。器件的垂直发散角为35℃,水平发散角为10℃。典型器件光谱特性和输出功率与电流之间的关系特性曲线如图4、图5所示:

           

    图4  850nmSLD样管的发射光谱图          图5 典型SLD器件的P-I曲线

    参考文献

    [1] Anna Kafar, Szymon Stanczyk, Grzegorz Targowski, Takao Oto, Irina Makarowa, Przemek Wisniewski, Tadek Suski and Piotr Perlin, High-Optical-Power InGaN Superluminescent Diodes with "j-shape" Waveguide2013 Appl. Phys. Express 6 092102

    [2] Nobuhiko Ozaki, Takuma Yasuda, Shunsuke Ohkouchi, Eiichiro Watanabe, Naoki Ikeda, Yoshimasa Sugimoto and Richard A. HoggNear-infrared superluminescent diode using stacked self-assembled InAs quantum dots with controlled emission wavelengths2014 Jpn. J. Appl. Phys. 53 04EG10

    [3] Romain Beal, Khalid Moumanis, Vincent Aimez, Jan J. Dubowski. Enhanced spectrum superluminescent diodes fabricated by infrared laser rapid thermal annealing. Optics & Laser Technology, 54, 30 December 2013, Pages 401–406

    [4] Su Hwan OhOh Kee KwonKi-Hong YoonKi Soo KimO-Kyun Kwon. Superluminescent Diode With Circular Beam Shape. Photonics Technology Letters, 2013, 25 Issue:23

    [5] Andreeva, E.V.Il'chenko, S.N. Kostin, Yu.O.Ladugin, M.A.Lapin, P.I. Marmalyuk, A.A.Yakubovich, S.D.. Broadband superluminescent diodes of NIR range with quasi-Gaussian spectra. Advanced Optoelectronics and Lasers (CAOL), 2013 International Conference on, Pages 114-116.

    [6] Su Hwan Oh, Sahnggi Park, Yongsoon Baek, Kwang-Ryong Oh. Reflective semiconductor optical amplifier (R-SOA) and superluminescent diode (SLD). 公开号US8363314 B2, 公开日2013129

    [7] Zhang Z Y, Jiang Q, M. Hopkinson, and R. A. Hogg.  Effects of intermixing on modulation p-doped quantum dot superluminescent light emitting diodes. Optics Express, 2010,18(7) 7055-7063

    [8] Xinkun Li, Peng Jin, Qi An, Zuocai Wang, Xueqin Lv, Heng Wei, Jian Wu, Ju Wu, and Zhanguo Wang. Experimental investigation of wavelength-selective optical feedback for a high-power quantum dot superluminescent device with two-setion structure. Optics Express, 2012, 20(11):11936-11943

     

     

    张晶,男,1975年4月出生,副研究员,日本德岛大学电气电子专业博士毕业,主要从事半导体光电子器件的开发与制作,zhangjingcust@cust.edu.cn

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